输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室SKL-PES第第5章章 污秽绝缘子电气强度污秽绝缘子电气强度 电力系统污秽与覆冰绝缘电力系统污秽与覆冰绝缘1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室内容提要内容提要内容提要内容提要0 0 绝缘子污闪电压的一般关系绝缘子污闪电压的一般关系 悬式绝缘子交流污闪特性及其影响因素悬式绝缘子交流污闪特性及其影响因素 绝缘子直流污闪特性及其影响因素绝缘子直流污闪特性及其影响因素 直流污秽绝缘子污闪特性的极性效应直流污秽绝缘子污闪特性的极性效应 污秽绝缘子的操作冲击特性污秽绝缘子的操作冲击特性 污秽绝缘子的雷电冲击特性污秽绝缘子的雷电冲击特性1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室绝绝绝绝缘缘缘缘子子子子污污污污闪闪闪闪电电电电压压压压的的的的一一一一般关系般关系般关系般关系5.5.1 1用一系列基础污秽度的试品，进行闪络或耐受试验，求得对应的耐受电压或闪络电压，对试验数据采用回归分析法分析，得到绝缘子污耐受或污闪电压随污秽度变化的规律。大量试验结果及其分析表明，污秽绝缘子的闪络电压与污秽程度有关，既与等值附盐密度和不溶于水的惰性物质的密度即灰密有关，1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (一一) ) 与盐密或灰密单一因素的关系与盐密或灰密单一因素的关系大量试验结果及其分析表明，污秽绝缘子的闪络电压与污秽程度有关，即与等值附盐密度和不溶于水的惰性物质的密度灰密均有关。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 单片单片XP-70XP-70绝缘子交流污闪电压与盐密关系的试验结果绝缘子交流污闪电压与盐密关系的试验结果1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 7 7片串片串XP-160XP-160闪络电压闪络电压UavUav与灰密的关系与灰密的关系1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 典型不溶物下灰密对典型不溶物下灰密对3 3片串片串XP-160XP-160污闪电压污闪电压( (UavUav) )的影响的影响 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室由上试验结果可知，盐密和灰密对污闪电压影响的规律是一致的，均可以表示为：1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(二) 盐密与灰密的综合影响 根据大量的试验数据建立污闪电压Uf与盐密、灰密满足以下函数关系式 由于盐密和灰密对污闪电压的影响的规律可看成是相互独立的。因此，根据前面的关系式,可假设绝缘子串的污闪电压(Uf)与盐密和灰密的关系可表示为： 式中：K为与绝缘子串长、型式和大气环境条件有关的系数；c为表征绝缘子串污闪电压(Uf)随盐密变化规律的特征指数；d为表征绝缘子串Uf随灰密变化规律的特征指数。 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室试验得到一组数据(n个)，设M为试验结果与架设参数公式计算结果的偏差平方和，因为偏差有正有负，为确保每个偏差的绝对值均很小，由最小二乘法，只要保证偏差的平方和(M)最小，就可以确定每个试验数据与上式之间的偏差绝对值都很小。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室SDDNSDDUfSDDNSDDUfmg/cm2kV%mg/cm2kV%0.0770.60154.02.20.2721.72120.75.50.0881.11139.94.70.0806.75111.06.70.2500.68132.85.80.4792.02108.86.40.0602.11133.04.90.2703.59106.66.40.0771.79132.16.90.2823.89103.02.90.1131.62129.77.00.4063.20102.04.90.1961.08128.33.30.304.37100.06.70.0603.027124.33.80.2725.0399.05.10.2901.04125.05.1/附表附表 FXBW3-110/70FXBW3-110/70型型110kV110kV复合绝缘子复合绝缘子污闪电压与灰密和盐密关系的试验结果污闪电压与灰密和盐密关系的试验结果 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室假设复合绝缘子(Uf)与盐密和灰密的关系满足上式的一般关系，根据试验结果，分别采用最小二乘法和TableCurve4.0三维分析软件对试验结果进行分析和曲线拟合，得到污闪电压(Uf)与盐密和灰密关系为： 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室悬悬悬悬式式式式绝绝绝绝缘缘缘缘子子子子交交交交流流流流污污污污闪闪闪闪特性及其影响因素特性及其影响因素特性及其影响因素特性及其影响因素 5.5.2 2由3.1节污秽绝缘子放电发展过程的分析可知：绝缘子的染污放电过程可分为四个阶段，即污秽的沉积、污秽的湿润、烘干区的形成及局部电弧的产生和局部电弧发展直至沿面完全闪络。因此，影响污秽绝缘子沿面闪络电压的因素也与以上四个过程有关。 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (一一) ) 污秽成分对污闪电压的影响污秽成分对污闪电压的影响自然界中的污秽，不论是内陆还是沿海地区，也不论是工业地区还是城镇或农田地区，积聚在绝缘子上的污秽物质都是NaCl和CaSO4组成的混合盐。二者所占的比例不同，污闪电压也不相同。污物中CaSO4所占比例越大，污闪电压越高。由于CaSO4的溶解度小，NaCl的溶解度大，在同一湿润情况下，CaSO4对污层电导率的影响远不如NaCl。等值附盐密度是在300ml水下测得的电导率，这些水量能使绝缘子表面污物中的CaSO4充分溶解，但在实际运行中，一片绝缘子表面附着的水不超过10ml，只有少量的CaSO4溶解，表面污液电导率显然比300ml时小，所以自然污秽绝缘子的污闪电压比人工模拟的污闪电压高，导致等值盐密与实际情况存在不等价。因此，在进行盐密测量时应对污秽物进行物理化学分析，按照NaCl与CaSO4的比例，对等值盐密进行修正，依据有效盐密划分污区。 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 不同比例不同比例NaClNaCl与与CaSO4CaSO4污秽对污闪电压的影响污秽对污闪电压的影响1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(b)(b)水平串水平串水平耐张串，在钢脚处首先产生的局部电弧因热作用上升，从而缩短了泄漏距离，使局部电弧易于发展，这比悬垂串不利，但电离气体能自由扩散，可以抑制放电的发展，且水平安装时污秽物易于被雨水冲洗掉。因此，两种因素相互制约，使水平耐张串和悬串的污闪电压相差不大。(a) 水平串起始电弧 (b) 水平串临闪电弧 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (二二) )绝缘子串布置方式对污闪电压的影响绝缘子串布置方式对污闪电压的影响线路绝缘子串布置安装方式有三种：悬垂串水平串V形串1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(a)(a)悬垂串悬垂串对于悬垂绝缘子串，当发生污秽放电时，在钢脚处首先产生的局部电弧虽然紧贴绝缘子下表面，但电离气体不易自由扩散掉，伞边缘的水滴又会往下滴，并且污秽物又不易被雨水冲洗干净。 (a) 悬垂串起始电弧 (b) 悬垂串临闪电弧 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(c)(c)V V型串型串V形串兼有悬垂串和水平耐张串的优点。 (a) V型串起始电弧 (b) V型串临闪电弧 绝缘子串的安装方式不同，其污闪电压有明显差异。双串绝缘子的污闪电压比单串的降低5%10%。由标准型绝缘子组成V形串时，其污闪电压比同一污秽程度的悬垂串提高25%30%。 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (三三) ) 污闪电压与串长的关系污闪电压与串长的关系绝缘子串长与交流污闪电压之间是否呈线性关系是一个非常重要的悬而未决的有争议的问题，对高压输变电工程污秽绝缘设计尤其是特高压外绝缘设计具有很大的工程意义，遗憾的是因试验条件限制，国内外的试验结果不统一，至今为止，因试验条件的限制，国内外的试验结果还不足以做出明确的结论。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(a)(a)绝缘子串等效回路绝缘子串等效回路(a) 绝缘子串 (b) 干燥状态(c) 湿润污秽状态1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(b)(b)试验方法的影响试验方法的影响洁雾升压法、盐雾法、湿污法所得到的试验结果都将呈线性关系，因为从施加电压开始到绝缘子串闪络，绝缘子表面电阻小，绝缘子串电压分布比较均匀，闪络电压与串长呈线性关系。采用清洁雾耐压法，为了模拟绝缘子在运行过程中积污和潮湿天气带电状态下逐渐受潮过程，用缓慢受潮法所得到的污闪电压与串长的关系将出现饱和现象。这是由于在加压过程中由干燥状态逐渐转变为受潮状态的过程中，当绝缘子还处于干燥状态时，绝缘子的阻抗是容性的。因为对地电容的影响而造成绝缘子串的电压分布不均匀，以后逐渐受潮时，绝缘子的阻抗由容性变为阻性，容抗则可以忽略，但原来承受电压较高的绝缘子发热较多，受潮较慢，表面电阻较大，因而绝缘子串电压分布仍不均匀，以致绝缘子污闪电压呈饱和现象。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(c)(c)试验室的影响试验室的影响1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (四四) ) 爬电距离的影响爬电距离的影响外形简单的绝缘子污闪电压与爬电距离的几何长度成正比。外形复杂的绝缘子的污闪电压并不随爬电距离的增加而线性增加。因为复杂绝缘子在发生局部放电时，可沿个别区域的空气间隙发展。依靠增加棱槽等方法使爬电距离过分增加时，由于气流旋涡和滞流等影响可能使积污量增加。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (五五) ) 伞形结构形状的影响伞形结构形状的影响由于结构和材质的关系，不同型式绝缘子的电气性能也有差异，绝缘子的污秽特性不仅受盐密、灰密的影响，且同绝缘子的结构密切相关。绝缘子的剖面形状对有效地利用其爬电距离，发挥自清洗能力，从而提高污闪电压有很大影响。绝缘子表面的积污主要取决于绝缘子的材质和结构。各种造型绝缘子的上表面由于受到风、雨清洗的影响，都能保持相对清洁，且积污量差别不大；但不同型式绝缘子下表面积污差别很大： 双伞和三伞型绝缘子，其伞型设计较平滑，具有较好的空气动力学特性，其下表面的积污量较小； 深棱伞的钟罩型绝缘子，下表面附近易于形成涡流，使气流速度下降，有利于污秽沉积，且其自清洁能力较差，下表面的积污量较大，一般为外伞型的1.53倍； 复合绝缘子由于表面电阻率高，伞裙护套因与大气中的粒子摩擦而容易带电，从而容易吸灰，其表面盐密、灰密比瓷绝缘子约高2倍。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 不同伞形结构不同伞形结构70kN70kN绝缘子污闪电压的比较绝缘子污闪电压的比较1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 不同伞形结构不同伞形结构100kN100kN绝缘子污闪电压的比较绝缘子污闪电压的比较1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 不同伞形结构不同伞形结构160kN160kN绝缘子污闪电压的比较绝缘子污闪电压的比较1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 几种典型的几种典型的70kN70kN和和160kN160kN绝缘子组成的绝缘子组成的3 3片串的污耐受电压与盐密的关系片串的污耐受电压与盐密的关系1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 几种典型的几种典型的160kN160kN级绝缘子组成的级绝缘子组成的2525片串的污闪电压与盐密的关系片串的污闪电压与盐密的关系 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (六六) ) 污秽分布不均匀对交流污闪电压的影响污秽分布不均匀对交流污闪电压的影响目前整串绝缘子的盐密平均值是电力系统决定外绝缘污秽等级、选择外绝缘爬电距离的重要参数。自然条件下绝缘子积污不均匀：绝缘子的上、下表面，同一表面的不同扇面和环面，以及同一串各元件间的积污量。无论何种绝缘子，其上表面都能保持相对清洁，但下表面污秽度较重，上、下表面积污比T/B一般在1:51:10，有的高达1:20。一般来说，绝缘子污染不均匀时将使污闪电压相应提高。人工污秽试验较自然污秽试验污闪电压高，有这方面的原因存在。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (七七) ) 染污方式对交流污闪电压的影响染污方式对交流污闪电压的影响固体涂层法是国内外广泛应用的主要方法之一，但染污方式有多种，如IEC 60507、IEC 61245和国家标准GB/T 4585推荐采用浸污法和喷射法，DL/T 859、DL/T 810推荐采用定量涂刷法、浸污法和喷射法等。染污方式对污闪特性存在明显的影响。一般来说，绝缘子污染不均匀时将使污闪电压相应提高。人工污秽试验较自然污秽试验污闪电压高，有这方面的原因存在。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室NSDDSDD浸污法浸污法涂污法涂污法mg/cm2Uf/kV1.00.0626.730.00.1323.125.10.2518.620.30.50.0433.937.80.0628.832.50.1224.226.4附表附表 不同染污方式下的绝缘子闪络电压不同染污方式下的绝缘子闪络电压 (kV)(kV)试品：XP-70绝缘子串长：3片 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附表附表 操作人员个体差异对污闪电压的影响操作人员个体差异对污闪电压的影响染污方式：定量涂刷方式染污不溶性物质：硅藻土和二氧化硅NSDDSDD甲甲乙乙丙丙mg/cm2kV1.00.0631.530.037.10.1323.925.126.90.2522.120.321.80.50.0439.637.835.90.0630.232.532.30.1229.326.428.51SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室染污方式和操作人员的个体差异均对污闪电压有影响。造成这种差异的主要原因是：采用浸污方式染污的绝缘子表面污秽分布均匀，在污秽湿润过程中能保证绝缘子表面各点的污秽同时达到饱和湿润状态，即能保证所有的污秽在绝缘子闪络过程中都产生作用；定量涂刷方式染污的绝缘子则易受操作人员个体差异的影响，造成绝缘子表面污秽分布均匀性比浸污方式的差，在湿润过程中绝缘子表面各点无法同时达到饱和湿润状态，若以绝缘子表面污秽物薄的位置判断绝缘子的饱和湿润状态，则绝缘子表面污秽物厚的位置并没有完全达到饱和湿润；而以绝缘子表面污秽物厚的位置判断绝缘子的饱和湿润状态，则绝缘子表面污秽物薄的位置由于过饱和导致污秽的流失，这两种情况均导致绝缘子闪络过程中产生作用的污秽量比实际涂刷的污秽量少，因此，浸污方式的绝缘子污秽闪络电压比定量涂刷方式的闪络电压低。 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (八八) ) 试验室的差异试验室的差异国内外许多研究机构按照规程推荐的方法对绝缘子污闪特性进行了大量的试验研究，得到了许多研究结果，但各科研机构得到的试验结果差别较大，这些差异给国内外在外绝缘设计带来了很大的困惑。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附表附表 不同试验室污闪电压试验结果的差异不同试验室污闪电压试验结果的差异(kV/(kV/片片)(SDD=0.05mg/cm2)(SDD=0.05mg/cm2，负极性直流，负极性直流) )绝缘子型式科研机构试验结果试验过程说明XZP-210清华大学17.3定量涂刷法，高岭土，灰密0.3mg/cm2，40以下重庆大学14.8浸污法，硅藻土，灰密0.3mg/cm2，3035电科院16.4定量涂刷法，高岭土，灰密0.3mg/cm2，40以下复合绝缘子(h=4.0m)STRI412喷污法，高岭土，灰密0.3mg/cm2，40以下电科院431定量涂刷法，高岭土，灰密0.3mg/cm2，40以下XP-70重庆大学9.7浸污法，硅藻土，灰密2.0mg/cm2，3035NGK13.6喷污法，高岭土，灰密0.1mg/cm2，20以下STRI13.5喷污法，高岭土，灰密0.1mg/cm2，20以下IREQ17.9喷污法，高岭土，灰密0.1mg/cm2，20以下HVTRC14.1喷污法，高岭土，灰密0.1mg/cm2，20以下1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室绝绝绝绝缘缘缘缘子子子子直直直直流流流流污污污污闪闪闪闪特特特特性性性性及其影响因素及其影响因素及其影响因素及其影响因素 5.5.3 3在直流电压作用下，绝缘子的染污特点及电弧发展均与交流不同，主要体现在以下几个方面：交流存在过零时零休、电弧的重燃、恢复等现象，直流电压不存在类似现象；直流具有吸尘现象，同样自然污秽条件下，直流绝缘子串的等值盐密可达交流时的2倍。因此，污秽绝缘子的直流电气特性与交流时有明显差异。 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 LXZP-300 普通悬式绝缘子 (1) 直流线路绝缘子的基本的特点直流线路绝缘子的基本的特点操作过电压倍数较低，直流线路型绝缘子采用“2大1小”结构，即“大盘径、大爬距、小高度”结构。( (一一) ) 直流线路绝缘子的结构特点直流线路绝缘子的结构特点1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(2) (2) 直流绝缘子设计原则直流绝缘子设计原则直流绝缘子污闪电压与有效爬电距离而不是总的爬电距离成比例，直流绝缘子的的设计不能一味地追求增加爬电距离，而是采取一系列措施来增加爬距的有效性： 因直流下的吸尘效应，再加上脚窝处气流形成涡流，使此外易于积灰，且该处不仅自洁性能差，而且电场又特别集中，所以脚窝处的污染最严重，往往最先在这里产生局部放电。显然，这部分爬电距离易于被高导电层的污层或局部电弧所短接，使其爬电距离的利用率最低。鉴于这个原因，设计上应尽量减少脚窝附近爬电距离所占的比例。 由于下表面不易受潮，因此，应适当增加绝缘子下表面爬电距离的比例，一般上、下表面爬电距离之比取1/2为宜。 应控制棱槽中的爬电距离与棱端间隙的比例。在增加爬电距离的同时，还应考虑配合。如果L/d过大，虽然可得到深槽、高密棱，但又可引起棱端间电弧直接短接，从而使单个绝缘子槽的爬电距离利用率低。一般认为，直流绝缘子的L/d应控制在25之间，而且由外棱槽向里逐渐减小，外棱槽宜控制在35，内棱槽为23为准。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室绝缘子串层间间隙与其爬电距离之间的配合应当合理。上面最外棱及最长棱至下片绝缘子上表面的间隙距离分别为c及c，它们将影响绝缘子串在淋雨或污秽条件下的电气性能，一般取c100mm，c间所含爬电距离lc与c之比lc/c取35为宜。总之，直流绝缘子的造型要采用大盘径、大爬电距离、长短交错棱和自洁性能好的小高度结构，几何参数要相互配合得当，否则，即使加大爬电距离其耐污性能也不一定好。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室因直流电弧的飘离绝缘子表面和桥接作用下爬电距离不能有效发挥作用，下表面的棱应长短交错布置，使相邻棱端间的空气间隙总和增加，其第二道长棱可以进一步阻挡污秽和雾气的浸入，并有效地抑制局部电弧的伸长。 LXZP-210 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(3) (3) 直流绝缘子造型系数直流绝缘子造型系数绝缘子的结构高度(H)将影响串长及杆塔尺寸，在考虑到装卸方便及串中爬电距离有效性的前提下，H值尽可能小，直流绝缘子一般取L/H=2.53.0。在不考虑形状影响时，综合反映爬距、盘径及高度三要素的造型系数定义为： 造型系数值越大，形状系数f也值越大，其电气性能越好，但值不宜大于5。当绝缘子表面均匀覆盖一层湿润污层后，形状系数f值越大，则表面污层的电阻也越大，其耐污性能就越强，直流绝缘子的f1较合理。 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(4) (4) 直流绝缘子的棱下系数直流绝缘子的棱下系数当KL=0.9为最佳值 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(5) (5) 直流绝缘子的外形系数直流绝缘子的外形系数简化爬距(P1+P2+H)与实际爬距L之比称为外形系数P1、P2分别为盘沿至铁帽和钢脚的最小水平距离 外形系数越小，在相同铁帽和钢脚下，其结构高度小，爬电距离大，耐污性能好。按照IEC的推荐，对于轻污区，PF0.8，重污区，PF0.7。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (二二) ) 污秽绝缘子污闪电压与污秽程度的关系污秽绝缘子污闪电压与污秽程度的关系直流绝缘子的污闪电压比交流污闪电压低。随着污秽程度的增加，直流污闪电压比交流污闪电压低的比率增大。因污闪特性的差异，交流下具有良好耐污特性的绝缘子在直流下并不一定具有较高的污闪电压。 XP-70绝缘子的交、直流污闪特性比较 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (三三) ) 直流绝缘子的积污特性直流绝缘子的积污特性直流绝缘子的积污特性与交流也有明显差异，在交流电压下，绝缘子带电与否的积污量的差异并不很明显，但直流绝缘子则不同，在工业和农村污染地区，绝缘子的污秽积聚是缓慢进行的，直流电压下绝缘子积污则比交流电压下吸附更多的污秽，因此，带电情况下直流绝缘子积污比交流严重得多。在沿海有强风时，带电对绝缘子的积污影响相对来说较小。直流绝缘子串自然积污的分布 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (四四) ) 非均匀污秽对直流污闪电压的影响非均匀污秽对直流污闪电压的影响污秽分布不均匀分布分有三种情况：污秽在单片绝缘子的上、下表面的不均匀分布 污秽沿单片绝缘子伞裙径向的不均匀分布 污秽沿整个绝缘子串方向的不均匀分布污秽分布不均匀对直流污闪电压的影响较交流明显，必须加以校正。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室直流绝缘子上、下表面不均匀分布对绝缘子直流污闪电压U50 %影响的修正公式为：U1、U2分别为绝缘子上、下表面不均匀染污和均匀染污时的直流污闪电压；T为上表面盐密，B为下表面盐密，T/ B 为上下表面污秽分布不均匀的比值；A为系数，对于瓷和玻璃绝缘子，其值为0.290.47，平均值为0.38。钟罩型绝缘子，A值可取0.48。 对于复合绝缘子，系数A为0.21，小于瓷和玻璃绝缘子。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (五五) ) 串长的影响串长的影响与交流一样，直流污秽绝缘子电气强度随串长的增加是否保持线性关系也是超高压、特高压直流输电十分关心的问题。12m(只试验到12m)，直流污闪电压与串长之间呈线性关系。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室直直直直流流流流污污污污秽秽秽秽绝绝绝绝缘缘缘缘子子子子污污污污闪闪闪闪特性的极性效应特性的极性效应特性的极性效应特性的极性效应5.5.4 4瓷和玻璃绝缘子的直流污秽闪络特性具有明显的极性效应，除0.01mg/cm2及以下的低盐密外，不论形状如何，负极性直流耐受电压或闪络电压比正极性低10%20%，直流污闪特性的极性效应仅限于不对称金具的绝缘子，对于对称型绝缘子，基本上无极性效应。复合绝缘子基本上不具有极性效应，或者说极性效应不明显。 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (一一) ) 单电弧引发污闪的极性效应单电弧引发污闪的极性效应正极性电弧：由正极性金属阳极出发的电弧。正极性污闪：由正极性电弧引发的污闪为正极性污闪。 负极性电弧：由负极性金属阴极出发的电弧。负极性污闪：由负极性电弧引发的污闪。 正极性电弧 负极性电弧 +HV(1) (1) 极性电弧的定义极性电弧的定义1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(2) (2) 单电弧污闪试验单电弧污闪试验SDD(mg/cm2)Uf+/kVUf-/kV|(Uf+Uf)/Uf+|/%0.228.026.45.70.422.821.65.3模拟悬式瓷绝缘子伞下棱槽结构。模型的棱高7.0cm，槽宽3.0cm，爬距102.0cm。正、负极性污闪电压分别用Uf+、Uf-表示 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(3) (3) 单电弧极性效应的机理单电弧极性效应的机理电弧是污闪的关键，电弧由阴极区、弧柱和阳极区三部分组成，位于中间的弧柱没有极性。阳极主要起被动的收集电子的作用，与发射电子的阴极相比较，其作用相对较为次要。因此，污闪的极性效应主要体现在正极性电弧和负极性电弧的发射电子的阴极的差别上。不同极性的闪络，阴极材料是不同的，电弧阴极的作用是发射电子以构成阴极区电流。正极性电弧的阴极材料是电解液(即潮湿污层)， 负极性电弧的阴极材料是金属，而金属和电解液发生电子的能力是不相同的。+HV1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室阴极材料发射电子的机制有二种，即热电子发射和强场电子发射。同时考虑这二种发射时，阴极的电流密度则为：T为阴极温度，为阴极材料的功函数，即逸出功，E为电极表面电场强度，A1、A2为常数，j为决定于起关键作用的T、E和三个参数。 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室正极性电弧的电解液阴极受自身饱和特性和溶液沸点的限制，其温度T大大低于负极性电弧的金属阴极，因此，负极性电弧的金属阴极更适合于热电子发射。且负极性电弧金属阴极表面总存在一些凸起之外，易于形成局部强电场，负极性电弧阴极更适合于强场发射。金属内有大量的自由电子，且金属的逸出功较小，大约为几个电子伏特，因此负极性电弧金属阴极适合发射电子；而电解液中仅有大量的正、负离，缺乏自由电子，因此，正极性电弧阴极不适合于电子发射。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 金属阴极有较强的电子发射能力，因而能形成较大的阴极区电流，由电流的连续可知，相应的电弧电流则比较大，因此负极性电弧的弧柱压降比较小，这是负极性污闪电压低第一个原因。金属阴极有较强的发射电子能力，外部电源只需提供较低的压降，就可产生阴极电流，因此，负极性电弧的阴极压降较小，这是负极性污闪电压低的第二个原因。实验证明，金属阴极压降约几十伏，电解液阴极压降约700V。金属阴极有较强的发射电子能力，易于形成较大的电弧电流，因此负极性电弧更强更稳定，更易于飘离绝缘子表面而不熄弧。综上所述，负极性电弧金属阴极材料的强电子发射能力，是造成较低的负极性污闪电压的主要原因。也就是说，正、负极性电弧阴极材料发射电子能力的差异，是造成单电弧直流污闪极性效应的主要原因。 (4) (4) 单电弧极性效应的原因单电弧极性效应的原因1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (二二) ) 瓷和玻璃绝缘子串污闪的极性效应瓷和玻璃绝缘子串污闪的极性效应负极性污闪初始阶段污闪临闪阶段正极性污闪初始阶段清洁区清洁区1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室绝缘子串污闪过程中，每片绝缘子的上、下金具处均能引发电弧，因此，正、负极性污闪都是由多个电弧引发的，而且这些电弧既有正极性电弧又有负极性电弧。由于这些正、负极性电弧是串联的，具有相同的电弧电流，因此负极性电弧的金属阴极的强电子发射能力不再显得突出，即负极性电弧的金属阴极不再是造成负极性污闪电压的主要原因。在正极性电弧的金具(阳极)侧均能够形成一片清洁区。这是由于电弧产生的正离子运动速度较慢(与电子相比)，易于被污秽颗粒吸附，带电污秽颗粒在电场力作用下向负极性方向移动，使金属阳极侧留下一片清洁区。清洁区的作用类似于高阻干区，其上承受的电压较高，易于产生电弧。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室具有较高温度(与周围空气相比)的等离子体电弧的质量比周围空气轻，具有向上飘浮的特点。负极性试验的清洁区位于绝缘子上表面，因此清洁区上形成的电弧易于飘离绝缘子上表面，并于上一片绝缘子下电极处产生的电弧连接。连接的电弧一方面受到电场力的外推作用，另一方面又受到绝缘子内侧空气因受热膨胀产生的外推作用，于是不断外移，最后连接相临两片绝缘子的伞裙外缘，造成伞间电弧桥接，相当于缩短了绝缘子的爬电距离，因此负极性污闪电压较低。正极性污闪试验的清洁区位于绝缘子下表面，清洁区上形成的电弧贴在绝缘子的下表面，不能向上飘浮，难以形成伞间电弧桥接，这使绝缘子的爬电距离利用率较高，相应地，正极性污闪电压较高。由此可知，正极性电弧金属阳极侧产生的清洁区在辅助以绝缘子的形状因素是造成负极性污闪电压低的主要原因。总结直流绝缘子串污闪存在极性效应的原因总结直流绝缘子串污闪存在极性效应的原因1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室污污污污秽秽秽秽绝绝绝绝缘缘缘缘子子子子的的的的操操操操作作作作冲冲冲冲击特性击特性击特性击特性5.5.5 5无论是交流输电，还是直流输电，系统均存在操作过电压。当操作冲击数值较低时，相对于运行电压的污闪电压则是外绝缘选择的决定性因素；当运行电压较高时，外绝缘的操作冲击污闪电压就显得非常突出，直流输电系统尤其如此。在进行外绝缘设计时，应当考虑绝缘子在超过线路经常出现的操作冲击时不发生闪络。现有试验结果表明：污秽绝缘子的操作冲击闪络电压比清洁而干燥，或清洁淋雨时明显降低。且正极性操作冲击污闪电压比负极性低。因此，一般情况下讨论正极性操作冲击的污闪特性。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (一一) ) 纯操作冲击的电气强度纯操作冲击的电气强度污秽导致纯操作冲击特性降低，放电电压仅为工频峰值的1.92.3倍。可能导致空载下绝缘子串有湿润污秽时合闸瞬间引起闪络。污秽绝缘子的操作冲击闪络电压均随着污秽程度的增加而降低。耐雾型绝缘子(XWP-70) 纯操作冲击耐受电压与盐密的关系(+180/2400S) 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (二二) ) 有预加交流或直流电压时的操作冲击特性有预加交流或直流电压时的操作冲击特性污秽绝缘子施加操作冲击电压之前，如果有预加交流或直流电压时，将引起大片干燥带的形成，该干燥带在绝缘子长度或泄漏路径方向导致湿污层连续性的破坏，相当于污秽分布不均匀而致使污层导电性的连续性遭受破坏，因此，此时操作冲击强度下降程度比纯操作冲击严重。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 操作冲击作用下悬式绝缘子串操作冲击作用下悬式绝缘子串50%50%污闪电压和波头的关系污闪电压和波头的关系( (波长为波长为3000s) 3000s) 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 操作冲击作用下悬式绝缘子串操作冲击作用下悬式绝缘子串50%50%污闪电压和污闪电压和 波长的关系波长的关系( (试验方法：试验方法：盐雾法，盐雾法，5 5片串普通悬式绝缘子，片串普通悬式绝缘子，XP-70XP-70，绝缘子串表面电导率为，绝缘子串表面电导率为20s) 20s) 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图操作冲击下标准悬式绝缘子串的附图操作冲击下标准悬式绝缘子串的50%50%污闪电压与盐雾含量的关系污闪电压与盐雾含量的关系( (试验方法：盐雾法，悬式绝缘子片数试验方法：盐雾法，悬式绝缘子片数:10:10片，预加交流片，预加交流85kV)85kV) 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 操作冲击作用下普通悬式绝缘子串的操作冲击作用下普通悬式绝缘子串的50%50%污闪电压和绝缘子片数污闪电压和绝缘子片数的关系的关系( (对对918918片片146146254254295295绝缘子组成的串，用绝缘子组成的串，用350/3500s350/3500s波形，表面电导波形，表面电导20S20S，作预加交流的操作冲击污闪试，作预加交流的操作冲击污闪试验验) )1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (三三) ) 交流或直流叠加操作冲击时的电气强交流或直流叠加操作冲击时的电气强实际运行情况下是交流或直流运行电压下出现操作冲击过电压，因此，设计和运行中更关心的是交流和直流电压下叠加操作冲击电压的污闪特性。但这种情况在试验室的模拟难度很大，对试验设备的要求也很高，特别是在电压等级较高的真型试验时，试验对设备的影响很大。使用湿污法进行试验时，用89片普通悬式绝缘子(146254)组成绝缘子串，先将试品浸入污液中，取出并悬挂于试品架，1min.后加压76kV(有效值)的交流电压3min.，然后在交流电压上叠加37/2700s的操作冲击电压，如下图。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 交流叠加正极性操作冲击电压下普通悬式交流叠加正极性操作冲击电压下普通悬式绝缘子的绝缘子的50%50%污闪电压与电导率的关系污闪电压与电导率的关系1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 交流叠加负极性操作冲击电压下普通悬式交流叠加负极性操作冲击电压下普通悬式绝缘子的绝缘子的50%50%污闪电压与电导率的关系污闪电压与电导率的关系1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室直流叠加操作冲击与交流叠加操作冲击的情况基本一致，直流叠加操作冲击(+180/2400s)时污秽绝缘子的50%污闪电压也有明显降低。直流叠加操作冲击时绝缘子污闪电压随污秽度的增加而降低，当盐密为0.05mg/cm2时，其降低的趋势基本饱和； 与清洁而干燥的基准情况相比，其污闪电压降低约35%50%。 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室污污污污秽秽秽秽绝绝绝绝缘缘缘缘子子子子的的的的雷雷雷雷电电电电冲冲冲冲击特性击特性击特性击特性5.5.6 6与操作冲击电压相比，雷电冲击电压的作用时间更短，同时，雾、露、毛毛雨等不利气象条件与雷电冲击波同时作用的概率极小，因此，以污秽放电的热过程为基点，曾在相当长一段时间以内，普遍认为污秽绝缘子的雷电冲击强度不会有明显降低。 从目前已经掌握的运行资料来看，雷电冲击下也会发生污闪。我国华东地区曾发生多次220kV变电站污秽绝缘子雷击闪络，事故后进行试验表明，雷电冲击耐受强度因污秽的存在降低了30%；上海、河南、四川、贵州等地的运行经验也证明污秽绝缘子的雷电冲击强度比清洁绝缘子低，并导致闪络，从而引起了人们对污秽绝缘子雷电冲击强度研究的重视，特别是在直流系统中，正常运行的直流电压因可能的充电效应，使叠加的雷电冲击电压对污秽绝缘子的电气强度产生影响，并可能导致污闪。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (一一) ) 纯雷电冲击的污秽绝缘子电气强度纯雷电冲击的污秽绝缘子电气强度采用固体图层法，对污秽绝缘子串进行雷电冲击闪络试验的结果表明，对于2545片XP-70普通悬式绝缘子串，正极性50%雷电冲击污闪电压比工频湿闪电压低15%30%，而负极性则低25%35%；对于深棱型绝缘子串，在正极性时几乎没有下降。在正极性时，因深而多棱结构对阻止正电子流的延伸是有效的，所以深而多棱的绝缘子其雷电冲击污闪电压较普通型好。在纯雷电冲击电压下，污秽绝缘子的闪络时间一般在10100s之间，如图5.41所示，其中，1040s之间闪络占83.3，在1030s之间闪络占51%，超过50s仅占6.9。这表明与热过程有关的污闪概率很小，纯雷电冲击下的污闪可能是污秽分布不均匀导致沿面电位分布不均匀所致。1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 污秽绝缘子污秽绝缘子50%50%纯雷电冲击闪络时间纯雷电冲击闪络时间1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 污秽绝缘子污秽绝缘子50%50%雷电冲击污闪雷电冲击污闪电压与预加交流电压的关系电压与预加交流电压的关系1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (二二) )先预加交流或直流的雷电冲击的先预加交流或直流的雷电冲击的污秽绝缘子电气强度污秽绝缘子电气强度 先预加交流电压，断开后立即施加雷电冲击电压，得到的污秽绝缘子的50%雷电冲击污闪电压。 附表 按最小公称爬电比距预加交流时2片XP-70串的雷电冲击U50SDD/mg/cm2预加交流电压/kV雷电冲击污闪电压U50/kV污闪电压比清洁雾闪电压降低的百分数/%020.0240.3基准0.0320.0179.925.90.0515.9177.427.10.1011.6180.725.70.209.0197.118.91SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室附图附图 预加交流时预加交流时2 2片片XP-70XP-70绝缘子雷电冲击绝缘子雷电冲击50%50%污闪电污闪电压与盐密的关系压与盐密的关系按最小电弧爬电比距预加交流电压 按10kV/片预加交流电压 1SKL-PES输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室( (三三) ) 交流或直流叠加雷电冲击的污秽绝缘子电交流或直流叠加雷电冲击的污秽绝缘子电气强度气强度 50%雷电冲击污闪电压与表面电导率的关系 普通悬式绝缘子串 光滑支柱(有机玻璃)